谈笑

摘要：现有GB50779，2012《石油化工控制室抗爆设计规范》中给出的抗爆墙体设计方法基于单自由度动力分析的计算假定，且设计指标仅包含许用延性比一项。规范采用查表法求解延性比，精度较低，工程设计较为概念化。本文通过有限元方法建立控制室抗爆墙体三维模型，运用有限元分析软件模拟爆炸工况，分析求解抗爆墙体。并寻求优化截面的方法，拓展规范中的计算假定，将分析方法由单自由度动力分析拓展至基于有限元方法的动力分析。

关键词：结构安全性设计，有限元模型建立，，有限元计算结果，抗爆墙体分析

随着项目安全理念以及全过程安全控制日益受到重视，结构安全性设计在结构设计工作中扮演着越来越重要的作用。而控制室作为现代化工装置中的重点安全设防建筑物，其安全性能需求也日益增加，探究抗爆墙体的结构设计方法，寻求优化设计途径，提高对爆炸工况的理解，提升设计经济指标，在结构设计中具有重要现实意义。

1. 背景概述

现有CB50779-2012《石油化工控制室抗爆设计规范》中，基于大量爆炸实验给出了可信的爆炸荷载计算方法及相应函数图象表达，如图1。其采用的单自由度杆件简谐振动计算假定，以及相应的求解方法存在一些值得探究的问题。

1）单自由度计算假定与实际结构的差异性

规范中将抗爆墙体简化为单位宽度的单自由度简支梁，而实际控制室结构形式为内部框架结构与外部抗爆剪力墙结合的复杂空间结构，其动力模态与单自由度简支梁模型存在差异，而此差异性引起的计算结果差异值得分析。

2）设计计算方法的优化探究

规范中给出的抗爆墙体求解方法为查表法，在求得墙体自振周期.设计抗力等参数后，查取规范给出的延性比，通过控制延性比完成墙体设计，如图2。而规范中给出的表格各参数变化非线性，是根据实验数据拟合得到的，难以采取控制变量法求解经济截面。

有限元分析方法在工程领域应用广泛，相关理论体系成熟，在分析模拟复杂结构及复杂工况时具有明显优势，应用于抗爆墙体分析具有良好的适用性。

1. 有限元模型建立

本文以某工程项目的控制室抗爆墙体设计实例建为依据，通过sTAAD.PR0结构计算软件建立控制室三维有限元空间模型。

该控制室几何信息为∶建筑计算高度7.6米，建筑东西方向柱距27米，南北方向25米，详细布置如图3。各构件几何截面特征为∶框架柱400x400，框架梁300x900，屋面次梁300x700，各侧墙300厚，顶板200厚。

sTAAD.PR0三维模型如图4所示，网格划分及基础约束如图5所示。各框架柱基础为独立基础或条形基础，柱底采用固接：抗爆墙体底部通过剪力筋与条形基础连接，不传弯矩至基础，模型中采用较支座与其构造措施对应。

建模过程中通过sTAAD.PR0中的时程函数功能，定义控制室的前墙荷载及顶板荷载，如图6及图7所示。

规范中给出的爆炸荷载为均布面荷载，而sTAAD.PR0时程函数定义仅支持集中荷载，因此根据等效原则，将均布面荷载换算成作用于各单元格节点上的集中荷载，爆炸荷载实际加载情况如图8所示。

控制室抗爆墙体模型按上述步骤建立完成，进行结构计算。

2. 有限元模型结果对比分析

通过有限元计算分析可得到控制室各构件的内力结果以及详细应力分布，本文将根据各分析结果对比按规范计算得到的结果，分析计算假定差异性引起的计算差异。

图9.图10为抗爆墙体的整体弯矩分布图，根据应力云图可知，前墙及侧墙应力分布与受弯板件分布相同，各墙体受弯特征明显。各墙应力分布沿板跨度方向变化明显，墙体中间区域应力分布较符合规范中简支梁计算假定，而端部区域与简支梁计算模型差异较大。

顶板应力分布的计算结果与预想分布图差距较大，顶板按主梁布置呈现较明显的分区格分布，主梁对顶板刚度贡献明显，而次梁在顶板刚度的贡献中几乎不起作用。为验证这一推论，在模型中更改了次梁设置方向，如图11所示。

在变更次梁布置方向后重新计算模型，得到了新的顶板计算结果以及应力分布云图，如图12所示。

对比修改次梁方向前后的应力分布云图，可以较明显地观察到，顶板的弯矩分布依然以框架梁为边界呈现区格分布的特征，主梁对顶板刚度贡献明显，而次梁在顶板刚度的贡献中几乎不起作用这一推论得到了验证。这说明在选取顶板计算跨度时，按主梁间距确定计算跨度较为合理，而按次梁间距确定计算跨度与模型分析结果不符。

图13中反映了爆炸工况下前墙的变形结果。前墙在爆炸荷载作用下的最大变形出现在前墙跨中的472节点，实际变形为6.013mm，可计算出实际弹塑性转角为0.09。。规范中对受弯墙体最大转角的允许值为[2。]，对于前墙有较大的优化空间。

图14中反映了爆炸工况下顶板的变形结果。顶板在爆炸荷载作用下的最大变形出现在中间跨的5210节点，实际变形为29.863mm，取主梁间距9米为计算跨度，可计算出实际弹塑性转角为0.38。。规范中对受弯墙体最大转角的允许值为[4。]，与前墙相似，顶板截面也有较大的优化空间。

图15为爆炸工况下控制室内部框架結构内力汇总表格以及示意图，根据图示可以得出以下结论∶爆炸工况下内部框架与抗爆墙体协同工作，共同抵抗爆炸荷载：由于墙体自身刚度较大，抗爆墙体旁的框架梁.框架柱分担爆炸荷载较少，可适当缩减构件截面，不区分构件位置，采取统一配筋的方式不经济，材料利用效率较低：跨中各构件弯曲变形明显，在爆炸工况中应考虑其作用，形成较为完整的传力途径：由于墙体抗侧刚度远大于各框架柱，框架柱均为小偏压构件，柱截面两方向弯矩较小，在爆炸工况下可将其视为轴心受压构件进行设计。

3. 结论与展望

前文分析了有限元计算结果的各种应力分布特征，并将有限元分析结果和规范设计方法进行了对比分析，详细讨论了两种分析方法的差异性以及引起的原因，通过上述讨论可以得出以下结论，对今后的抗爆墙体设计具有启示意义。

1） 针对不同设计需求或不同设计阶段，控制室抗爆墙体可采取不同方法进行设计。在初步设计阶段，各项工程参数并不十分成熟，设计条件变化性较大，建筑结构方案均有可能进行调整，采取规范中的分析方法简便易行，适于前期确定构件大小，计算工程量：在详细设计阶段，各项设计条件较为完善，可采用有限元建模方法优化各构件截面，之后再运用规范方法校核设计结果，可使抗爆墙体设计具有良好的经济性。

2） 对于规范中要求不明确，或是理解有争议的条文，采取有限元建模的方法进行分析可进行验证。现有规范中对顶板的计算跨度并没有明确规定，本文通过有限元建模，分析顶板弯矩分布，得出应按框架梁间距取值计算的结论：规范中对于控制室抗爆墙体与内部框架之间的关系并未详细分析，在爆炸工况下内部框架的受力特性也未进行明确描述，本文通过有限元模拟明确了爆炸工况下各构件整体协调工作的情况，同时，定性分析了爆炸工况下内部框架结构的内力情况，有助于提升对爆炸工况的整体理解。

结束语∶在总结本文有限元分析得到各项结论的同时，对今后抗爆墙体分析的研究方向也有以下展望。首先，国内关于控制室抗爆结构的实验分析数据，以及实际爆炸破坏的研究数据较少，期望今后能进行相关的实际数据分析研究，以印证本文得到的各种结论：其次，现有规范对控制室高度及结构体系具有较为严格的规定，要求控制室不宜采用多层结构，采取有限元建模方法可以对多层结构进行分析，其分析结果可以为今后多层控制室抗爆墙体设计提供参考。

参考文献：

[1]邢瑞，石油化工控制室抗爆设计规范[J].天津化工.2021.35（03）;103-104

[2]卢福强.抗爆墙设计要点[J].山西建筑.2013.39（09）：35-37

[3]袁建文，抗爆墙设计在实际工程中的应用[J].居舍.2018.（15）∶105